大學(xué)畢業(yè)總結(jié)

摘要

半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步使D類放大器在便攜類，消費類電子產(chǎn)品領(lǐng)域再次受到關(guān)

注。D類功率放大器的理論早在上世紀(jì)60年代就已經(jīng)提出，但是由于當(dāng)時晶體

管反向器的轉(zhuǎn)換速率較低，難以把載波干擾信號輸入從輸入信號中區(qū)分開來，輸

出信號有較大的失真，所以并未得到很大的發(fā)展。D類功率放大器又稱開關(guān)型功

率放大器，相比傳統(tǒng)的A,B,C,AB類功率放大器，其具有高效、節(jié)能、數(shù)字化、

體積小、重量輕的特點，適應(yīng)便攜設(shè)備高效節(jié)能的客觀需求,從而在音頻模擬集成

領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢。隨著設(shè)計技術(shù)的不斷進(jìn)步,D類功率放大器的性能指標(biāo)也

逐步提高。D類放大器，既能提供高效率又能實現(xiàn)高音頻性能。

本文采用龍鼎微電子公司推出的PAM8610設(shè)計制作的D類音頻放大系統(tǒng)，有

著優(yōu)秀的主觀聽感和毫無生硬刺耳、令人不快的聲音，不僅節(jié)省了輸出量的電感

和電容，節(jié)省了PCB面積，而且確保了量產(chǎn)時音質(zhì)的一致性和可靠性，廣泛適

用于平板電視，LCD監(jiān)視器，投影電視，多媒體播放系統(tǒng)，DVD播放器，游戲

機(jī)，BoomBox,音樂設(shè)備等。

關(guān)鍵詞：A類音頻功率放大器，B類音頻功率放大器，C類音頻功率放大器，AB

音頻功率放大器類，D類音頻功率放大器，PAM8610

Abstract

SemiconductortechnologyprogressmadeinportabletypeDamplifier,consumer

electronicsfieldagain.ThetheoryofclassDpoweramplifierbackinthelast

century60's,hashadraised,butduetotransistorinverteratlowerconversionrate,it

isdifficulttointerferewiththecarriersignalinputfromtheinputsignaltodistinguish

theoutputsignalhasalargerdistortion,soitdidnotgetmuchdevelopment.ClassD

switchingpoweramplifierpoweramplifier,alsoknownascomparedtothetraditional

A,B,C,ABpoweramplifier,itshighefficiency,energysaving,digital,smallsize,

lightweightcharacteristics,energyefficientportabledevicestoadapttotheobjective

needsoftointegrationinthefieldofanalogaudiohasagreatadvantage.Withthe

designtechnologyadvances,DPowerAmplifierperformanceisgraduallyimproving.

ClassDamplifiers,notonlytoprovideefficientandcanachievehighaudio

performance.

Inthispaper,thePAM8610PowerAnalogMicroelectronicsIntroducesClassD

designoftheaudioamplificationsystem,withgoodsoundeffectandnostiffharsh,

unpleasantvoice,notonlysavestheoutputinductorsandcapacitors,savingPCBarea,

andensureproductionconsistencyandreliabilitywhenthesoundquality,widelyused

inflat-panelTVs,LCDmonitors,projectionTV,multimediaplaybacksystems,DVD

players,gameconsoles,BoomBox,musicequipmentandsoon.

Keywords：Aclass,,Bclass,Cclass,ABclass,Daudiopoweramplifier,,

PAM8610

目錄

摘要...................................................I

Abstract..........................................................................................11

1緒言...................................................1

1.1課題背景.......................................................1

1.2本文的工作和意義..............................................2

1.3國內(nèi)外概況.....................................................3

1.4本文的組織結(jié)構(gòu)................................................4

2功率放大器原理.........................................5

2.1音響基礎(chǔ)知識...................................................5

2.1.1聲音的基本特性....................................................5

2.1.2音響的結(jié)構(gòu)及參數(shù)..................................................5

2.1.3放大器的技術(shù)指標(biāo)..................................................5

2.2功率放大器基本理論..............................................6

2.2.1純音樂功放........................................................6

2.2.2AV功放............................................................7

2.23功放的分類.........................................................7

2.3傳統(tǒng)功率放大器.................................................8

2.3.1A類功率放大器....................................................8

2.3.2B類功率放大器....................................................9

2.3.3AB類功率放大器...................................................11

234c類功率放大器.....................................................11

2.4D類功率放大器概論............................................11

3系統(tǒng)設(shè)計...............................................15

3.1PAM8610芯片簡介.............................................15

3.2PAM8610性能參數(shù).............................................16

3.3利用PAM8610芯片設(shè)計D類功率放大器............................16

3.3.1系統(tǒng)參數(shù)..........................................................16

3.3.2電源設(shè)計.........................................................17

3.3.3EMI對策.........................................................17

3.3.4PAM8610測量.....................................................18

3.3.5印刷電路板(PCB)設(shè)計技術(shù)........................................19

4總結(jié).................................................21

致謝....................................................22

參考文獻(xiàn)................................................23

獨創(chuàng)性聲明..............................................24

學(xué)位論文（設(shè)計）版權(quán)使用授權(quán)書..........................25

2

1緒言

1.1課題背景

近年來，半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步使D類放大器在便攜類，消費類電子產(chǎn)品領(lǐng)域

再次受到關(guān)注。D類功率放大器的理論早在上世紀(jì)60年代就已經(jīng)提出，但是由

于當(dāng)時晶體管反向器的轉(zhuǎn)換速率較低，難以把載波干擾信號從輸入信號中區(qū)分

開來，輸出信號有較大的失真，所以并未得到很大的發(fā)展。上世紀(jì)80年代后，

M0S管的開關(guān)頻率大大提高，由它構(gòu)成的反向器的工作頻率能夠達(dá)到250KHZ以

上，由分立電子元件設(shè)計的D類功率放大器開始出現(xiàn)，但是由于分立元件的較

大體積和能耗，其優(yōu)勢未能充分發(fā)揮出來，難以與傳統(tǒng)的A類，B類，AB類功

率放大器競爭。90年代以后，以大規(guī)模集成電路為代表的半導(dǎo)體技術(shù)為D類功

率放大器注入了新的活力，使其再次得到較大發(fā)展川

D類功率放大器又稱開關(guān)型功率放大器，具有高效、節(jié)能、數(shù)字化、體積

小、重量輕的特點,適應(yīng)便攜設(shè)備高效節(jié)能的客觀需求，從而在音頻模擬集成領(lǐng)域

具有很大的優(yōu)勢。隨著設(shè)計技術(shù)的不斷進(jìn)步,D類功率放大器的性能指標(biāo)也逐步

提高。D類放大器，既能提供高效率又能實現(xiàn)高音頻性能。它使用脈沖寬度調(diào)制

(PWM)來把輸入信號轉(zhuǎn)換成方波信號，再去驅(qū)動輸出級功率晶體管?？梢杂卸?/p>

種方法來產(chǎn)生PWM信號，最常用的方法是采用三角波載波與輸入信號相比較。

另外還可以對數(shù)字信號直接使用數(shù)字信號處理(DSP)的方法得到PWM信號。D

類功率放大器中的高效率來自于輸出級功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)下，沒有靜

態(tài)電流功耗。D類功率放大器的保真度曾經(jīng)不及傳統(tǒng)的功率放大器，但隨著M0S

管速度的提高，已經(jīng)可以得到較高的PWM信號，現(xiàn)在的D類功率放大器的保真

度已經(jīng)可以和AB類功率放大器媲美⑵。

D類功率放大器最引人注目的特點在于其極高的效率，一般可達(dá)90%左右，

這使其對于傳統(tǒng)的A類和AB類功率放大器具有突出的優(yōu)點。D類功率放大器對

于電源電流的要求有較大降低，設(shè)備中電池的使用時間大大加長。采用D類功

率放大器的設(shè)備可以使用較小的電池代替原有的大電池，減小的設(shè)備體積，降

低了成本⑶。

歷史上出現(xiàn)過三代D類放大器設(shè)計：

第一代的范例是由托卡塔設(shè)計的TacTMillennium,它證實了D類放大器的

概念，但是該技術(shù)還不能提供足夠的性能，這使第一代D類放大器向著實用性

的方向發(fā)展。

第二代D類放大器把一個用于模擬源信號的PWM信號和一個集成的輸出級

以及片外濾波器組合在一起。這些放大器需要源選擇，音量，平衡和音調(diào)控制

等復(fù)雜的前端功能，而這些附加的功能增加了額外的復(fù)雜性。但是首先這代放

大器變得價格可以承受，其次在低功耗性能上接近甚至超過了AB類放大器，從

而獲得了一定的應(yīng)用。

第三代是最近一段時一間，現(xiàn)有的D類數(shù)字放大器較以前的技術(shù)已有所改善,

他們在音質(zhì)、封裝、性能、價格和核心技術(shù)方面都已取得重大改進(jìn)。為了生成

精確的音頻，輸入晶體管需要在動態(tài)范圍的兩端都能同樣出色地工作，以幫助

精確地實現(xiàn)準(zhǔn)確的功率分配。通過采用一個簡單但功能強(qiáng)大的內(nèi)部控制邏輯系

統(tǒng)改善音頻輸出，并額外增加一套輸入晶體管，這些晶體管可以實現(xiàn)對音頻信

號輸入的更精細(xì)的控制。最后還不能忽視新的架構(gòu)技術(shù)⑷。

1.2本文的工作和意義

D類音頻功率放大器具有小尺寸、高效率的優(yōu)勢。利用D類功率放大器可以

設(shè)計出更小更薄和更有效率的電子產(chǎn)品，可延長便攜式產(chǎn)品電池的使用時間，

因此在業(yè)界普遍得到認(rèn)可。手機(jī)、DVD、MP3和PMP等多媒體產(chǎn)品的普及，尤其

加速了D類功率放大器在便攜式電子產(chǎn)品中的使用。

本文基于龍鼎微電子公司推出的PAM8610。它是一片10W(每聲道)，無輸出

LC濾波器并且?guī)в兄绷饕袅靠刂频腄類立體聲音頻放大器,PAM8610的新一代無

濾波器技術(shù)實現(xiàn)了低EMI,低失真以及在音頻范圍內(nèi)平直的頻率響應(yīng)，這種技術(shù)

已經(jīng)申請了美國專禾!J,使用PAM8610的D類音頻放大系統(tǒng)不僅節(jié)省了輸出量的4

個電感和電容，節(jié)省了PCB面積，而且確保了量產(chǎn)時音質(zhì)的一致性和可靠性.目

前.PAM推出了從1W到25W功率等級的D類放大器ICoPAM8610支持全套查分

輸入和單端輸入。全查分輸入架構(gòu)大大提高了共模抑制比(CMRR)和紋波抑制比

音量控制,PAM8610內(nèi)部有32級的數(shù)字音量電位器實現(xiàn)-40db至什36db的音量控

制，具體的音量大小由Volume引腳的直流電壓決定。另外,可供客戶選擇的FADE

模式可以使開機(jī)音量淡入.PAM8610內(nèi)部有完善的短路保護(hù)和過熱關(guān)斷功能，為

40腳的QFN6*6封裝,在IC底部的導(dǎo)熱銅板可以使IC的熱量迅速傳到PCB銅箔

并散失到周圍環(huán)境中⑸。

PAM8610采用全新的電路結(jié)構(gòu)，有著優(yōu)秀的主觀聽感，毫無生硬刺耳令人不

快的聲音。PAM8610在12v電源電壓、8Q負(fù)載、輸出功率5W的時候，當(dāng)對輸

出波形進(jìn)行快速傅里葉變換，可以看到二次諧波失真為一65dB,三次諧波失真

—80dB,失真頻譜主要是偶次諧波成分。PAM8610這種類似電子管放大器的音

頻特性，可以得到溫暖甜美的音色。同時它采用領(lǐng)先的無濾波調(diào)制技術(shù)，沒有

死區(qū)時間的約束，可以實現(xiàn)小信號的精確還原。輸出級開關(guān)動作的次數(shù)只有目

2

前流行的無濾波調(diào)制方式的一半，EMI特性非常優(yōu)秀⑹。

本文首先對比研究了各種傳統(tǒng)功率放大器的原理特點呢，然后細(xì)致研究并設(shè)

計了基于PAM8610芯片的D類立體聲音頻功率放大器。其輸出功率為2X3W(負(fù)

載4Q),數(shù)字音量控制64級，用兩個按鍵實現(xiàn)，穩(wěn)壓電源電壓+5V,其THD

W10鏟。

1.3國內(nèi)外概況

IMSResearch報告指出,2007年全球音頻放大器市場產(chǎn)值已突破10億美元，

其中AB類音頻放大器約占整體出貨量的60歸但未來數(shù)年內(nèi)，在手機(jī)、筆記本

電腦與家庭影音系統(tǒng)等應(yīng)用的貢獻(xiàn)下，放大器的成長將快速攀升，預(yù)估D類放

大器的產(chǎn)值至2011年將可較2006年增長兩倍。另根據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)Gartner

的預(yù)測，全球D類音頻放大器市場規(guī)模將從2006年的3.34億美元成長到2011

年的6.88億美元，年復(fù)合成長率高達(dá)15.6沆

在這波增長中，最主要的驅(qū)動力來自液晶電視(LCDTV),而估計2009年全

球液晶電視出貨量仍可望成長25%,達(dá)1.26億，以此為基礎(chǔ)，D類放大器的增

長自然是水漲船高。同樣根據(jù)Gartner的報告，平板電視領(lǐng)域的D類音頻放大

器的年銷售額將在2011年增長至3.59億美元，年復(fù)合成長率達(dá)14.7虬除了

液晶電視等大功率需求在近幾年的明顯提升外，隨著D類和AB類放大器價差的

接近，中低功率的應(yīng)用，例如立體收音機(jī)、手機(jī)及筆記本電腦等也是不可忽視

的成長力量，這些也是目前臺灣地區(qū)模擬IC公司主攻的市場。

在手機(jī)方面，隨著手機(jī)喇叭輸出功率越來越高，且D類放大器價格愈趨下降，D

類放大器全面取代AB類放大器已是指日可待。在筆記本電腦市場情況亦然，D

類放大器可節(jié)省功耗，對于亟需延長電池壽命的筆記本電腦而言無疑是較佳的

選擇。

探究D類放大器產(chǎn)業(yè)生態(tài)，數(shù)年前該市場幾乎是德州儀器、意法半導(dǎo)體、亞

德諾(ADI)、美國國家半導(dǎo)體等外商盤踞的局面，其中尤以德州儀器市占率最高。

不過，近幾年隨著臺灣地區(qū)模擬業(yè)者的研發(fā)漸有成果，加上該地區(qū)晶圓代工業(yè)

者提供模擬及混合信號制程的能力精進(jìn)，使得臺灣地區(qū)IC設(shè)計業(yè)者也能成功推

出相關(guān)產(chǎn)品，例如瑞昱、茂達(dá)、普誠、德信、晶豪與震一等。

據(jù)茂達(dá)科技介紹，該公司于兩年前推出D類放大器，目前在臺灣地區(qū)手機(jī)代

工市場的占有率已達(dá)四分之一，另外的應(yīng)用領(lǐng)域則包括便攜式設(shè)備、便攜式導(dǎo)

航裝置(PND)、液晶電視與顯示器以及筆記本電腦等，其中尤以家用音響市場為

主攻領(lǐng)域，如iPod擴(kuò)充基座(Docking)等應(yīng)用。其中，型號APA2600的D類音

頻放大器IC為采用薄型TQFN3x3-16無鉛封裝及新式調(diào)制方式，可有效節(jié)省PCB

3

面積。其轉(zhuǎn)換效率高達(dá)86%,無需外接散熱片，輸出功率在電源為5伏特時，4

歐姆喇叭為2.8W；全差動結(jié)構(gòu)與全橋式輸出具備高效噪聲抑制能力，具備短路

及過熱保護(hù)。

普誠科技也鎖定手機(jī)、便攜式電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。該公司所推出的立體聲音

頻功率放大器PT2004與同類型產(chǎn)品TPA2012管腳兼容，是一款無需濾波器的

2.2瓦立體聲D類音頻功率放大器，設(shè)有完善的沖擊聲抑制功能，可有效消除

開/關(guān)機(jī)時的噪聲。由以上廠商的產(chǎn)品導(dǎo)向可知，臺灣地區(qū)D類音頻放大器IC

多應(yīng)用于手機(jī)及便攜式產(chǎn)品，至于高功率領(lǐng)域則仍由外商把持。不過，成立于

2001年的德信科技在2006年推出手機(jī)用D類音頻放大器后，2007年發(fā)表2.7

瓦、雙聲道、免濾波式D類放大器，并于2008年下半年推出10W產(chǎn)品EUA2101,

它是一顆擁有雙通道橋接式(BTL)組態(tài)的高效率D類功率放大器。其輸出功率在

操作電壓為12V且輸出負(fù)載為8歐姆喇叭環(huán)境中，當(dāng)總諧波失真為10%時可連

續(xù)輸出10W的功率。同時芯片內(nèi)部也具備短路保護(hù)及過溫保護(hù)電路等機(jī)制，以

避免在錯誤的操作條件下芯片被毀損。此外，該公司現(xiàn)正規(guī)劃20瓦以上的高功

率D類放大器產(chǎn)品線。

得注意的是，相較于國外大廠具備與DSP整合的能力，臺灣地區(qū)方面僅有瑞

昱推出DSP整合方案。瑞昱半導(dǎo)體在2008年曾發(fā)表D類音頻放大器芯片ALC113、

嵌入D類音頻放大器的HD音效芯片ALC889,高整合型HD音效芯片ALC269等。

其中，ALC113是一高度整合、具立體聲效果的D類音頻放大器芯片，可支持達(dá)

四組音頻輸入，同時通過12c控制接口，可進(jìn)行輸出增益調(diào)節(jié)、音量調(diào)整等功

能。瑞昱半導(dǎo)體音頻產(chǎn)品經(jīng)理王柏智特別指出，這是第一個結(jié)合了多音頻輸入

和耳機(jī)放大器的高效能立體聲效果D類音頻放大器。至于ALC269則是一高度整

合型高清音效芯片。ALC269結(jié)合了內(nèi)建喇叭所需要使用每聲道2瓦特的D類立

體聲音頻放大器，可讓筆記本電腦制造商縮減物料成本，提供了外部線路精簡

的設(shè)計，并縮小音效應(yīng)用線路布局面積⑻。

1.4本文的組織結(jié)構(gòu)

本文的內(nèi)容安排如下

1簡介了D類功率放大器的發(fā)展前沿和應(yīng)用領(lǐng)域，介紹了其突出的優(yōu)點。

2對比介紹了各種傳統(tǒng)功率放大器和D類功率放大器的原理和特點。

3詳細(xì)介紹了電路中各個部分的設(shè)計電路,工作原理和模擬結(jié)果。

4本文的結(jié)論部分，對整個論文工作進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)，對于下一步的工作提出

自己的看法。

4

2功率放大器原理

2.1音響基礎(chǔ)知識

2.1.1聲音的基本特性

音量：它與聲波的物理量“振幅”有關(guān)，聲波的振幅大，人耳就感覺聲音

響，音量大，反之，則聲音輕，音量小，音量的大小是人耳聽音的主觀感覺。

音調(diào)：是人耳對聲音調(diào)子高低的主觀感覺，聲調(diào)的高低與聲音的物理量“頻

率”對應(yīng)。

人耳的聽覺范圍：20Hz—20KHz稱之為可聽聲，低于20Hz稱為次聲，高于

20KHz稱為超聲，人耳對3KHz—4KHz的聲音最為敏感。

音色：又叫做音品或音質(zhì)，它是由聲音的波形決定的，電子管功率放大器

的偶次諧波多，奇次諧波少，聲音柔美，甜潤，晶體管功放奇次諧波多，聲音

冷艷，清麗⑻。

2.1.2音響的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

前置放大器和功率放大器，前置放大器承擔(dān)控制任務(wù)為主，對各種節(jié)目源

信號進(jìn)行選擇和處理，對微弱信號將其放大到0.5—1V,進(jìn)行各種音質(zhì)控制，

以美化音色。功率放大器，承擔(dān)放大義務(wù)，是將前置放大器輸出的音頻信號進(jìn)

行功率放大，以推動揚聲器發(fā)聲。有電壓放大和電流放大之分，要求是宏亮而

不失真。

2.1.3放大器的技術(shù)指標(biāo)

(1)額定功率

音響放大器輸出失真度小于某…數(shù)值(VI%)的最大功率成為額定功率,

表達(dá)式：&,U。為負(fù)載兩端的最大不失真電壓，Ri為額定負(fù)載阻抗。

其測量條件為信號發(fā)生器輸出頻率為1KHZ,電壓Ui=20mV的正弦信號。功

率放大器的輸出端接額定負(fù)載電阻RL(代替揚聲器)，輸入端接U，逐漸增大輸

入電壓直到U。的波形剛好不出現(xiàn)失真，此時對應(yīng)的輸出電壓為最大輸出電

壓。測量后應(yīng)迅速減小心,以免損壞功率放大器。

(2)頻率響應(yīng)

放大器的電壓增益相對于中音頻f。(lKHz)的電壓增益下降3dB時所對應(yīng)

5

的低音音頻九和高音音頻。稱為放大器的頻率響應(yīng)。

測量條件如下：調(diào)節(jié)音量控制器使輸出電壓約為最大輸出電壓的50%,輸

入端接音調(diào)控制器，使信號發(fā)生器的輸出頻率從20Hz-20KHz（保持U,=20mV不

變）測量負(fù)載電阻上對應(yīng)的輸出電壓U。。

（3）輸入靈敏度

使音響放大器輸入額定功率時所需要的輸入電壓（有效值）成為靈敏度。

（4）噪聲電壓

使輸入為零時;輸出負(fù)載史上的電壓稱為噪聲電壓。測量時使輸入端對地

短路，音量電位器為最大值，用示波器觀察輸出負(fù)載R.的電壓波形，用交流電

壓表測量其有效值。

（5）信噪比

信噪比是指聲音信號大小與噪聲信號大小的比例關(guān)系，將攻放電路輸出聲

音信號電平與輸出的各種噪聲電平之比的分貝數(shù)稱為信噪比的大小

（6）輸出阻抗

功放輸出端與負(fù)載（揚聲器）所表現(xiàn)出的等效內(nèi)阻抗稱為功放的輸出阻抗。

（7）阻尼系數(shù)

阻尼系數(shù)是指功放電路給負(fù)載進(jìn)行電阻尼的能力⑼。

2.2功率放大器基本理論

理想的功率放大器是將較小的功率的信號不失真放大到負(fù)載所需要的程

度。根據(jù)工作方式的不同，功率放大器可主要分為線性功率放大器和非線性功

率放大器。功放的工作原理就是將音源播放的各種聲音信號進(jìn)行放大，以推動

音箱發(fā)出聲音。從技術(shù)角度看，功放好比一臺電流的調(diào)制器，它將交流電轉(zhuǎn)變

對直流電，然后受音源播放的聲音信號控制，將不同大小的電流，按照不同的

頻率傳輸給音箱，這樣音箱就發(fā)同相應(yīng)大小、相應(yīng)頻率的聲音了。由于考慮功

率、阻抗、失真、動態(tài)以及不同的使用范圍和控制調(diào)節(jié)功能，不同的功放在內(nèi)

部的信號處理、線路設(shè)計和生產(chǎn)工藝上也各不相同。按當(dāng)前音響消費的需求，

民用音響中的功放已基本定型為兩大類，即純音樂功放和家庭影院AV功放1⑻。

2.2.1純音樂功放

純音樂功放在設(shè)計上強(qiáng)調(diào)最低的信號失真，忠實地表現(xiàn)出音樂的場面、細(xì)

節(jié)和演奏、錄制的技巧以滿足人們對音樂的最佳欣賞要求，這就是人們常說的

HI-FI（hi-fidelity,高保真）。在設(shè)計和生產(chǎn)上，純音樂功放的要求極為嚴(yán)格。

6

純音樂功放品質(zhì)的高低并不完全由它的技術(shù)指標(biāo)所決定，不能簡單地看它標(biāo)注

的功率多少高，頻響多么寬，失真多么低，而應(yīng)該特別注重其設(shè)計生產(chǎn)工藝和

音樂的解晰力。比如技術(shù)指標(biāo)并不太高的膽機(jī)就要比很多晶體管功放聲音好聽。

2.2.2AV功放

一般來說包括功放部分和信號處理部分。其功放部分原理上與傳統(tǒng)功放沒有

什么區(qū)別，只不過增加了幾個聲道，也就是將幾個功放結(jié)合在了一起；其信號

控制處理部分涉及信號的音頻、視頻選擇、信號解碼處理、信號聲場處理以及

收音、監(jiān)聽等功能。

一般一臺高品質(zhì)的AV功放首先應(yīng)該在影視節(jié)目的信號處理上有較好的聲

場還原，聲道隔離度要高，氣氛渲染也不能太夸張；其次在功放部分的音質(zhì)表

現(xiàn)上，尤其是主聲道的音質(zhì)要求盡量接近較好的純音樂功放皿。

2.23功放的分類

功放一般分為前級功放、后級功放與合并級功放，所謂的合并機(jī)就是把前

級、后級集于一身的機(jī)器。其前級是用來把信號作初步放大、調(diào)節(jié)音量的；而

后級則是把前級來的信號作大量放大來推動揚聲器。

前級也分為有源及無源兩種。有源的前級是使用電源把信號放大，而無源

的前級就只有調(diào)節(jié)音量的功效。老實講，當(dāng)今成功的無源前級不多，因為音源

與后級的內(nèi)阻有很大分別，只靠一個音量開關(guān)把音源與后級連接起來，其內(nèi)阻

的差別會使動態(tài)、細(xì)節(jié)、頻應(yīng)盡失！有源的前級除了調(diào)節(jié)音量外，還可作初部

廣大及降低音源及后級間內(nèi)阻之別，即用作緩沖。

后級是把從前級來的信號放大給楊聲器用的，后級必須夠力去推動揚聲器。

所謂夠力，不是指越大聲越夠力。必須有能力去支持整個樂團(tuán)的大場面而不失

其細(xì)節(jié)。分開前、后級比合并機(jī)好，因為各自有更大的空間去造得更精密。而

兩者間也更少干擾，細(xì)節(jié)表現(xiàn)較多；而且，分開前后級會給發(fā)燒友有更多推動

機(jī)的選擇，更多東西可玩兒1⑵。

功率放大器的首要指標(biāo)是效率，即輸出功率占放大器消耗功率的比，效率

越高消耗越小。另外一個重要指標(biāo)是總諧波干擾（THD）,用來衡量放大后輸出

信號的保真度，THD越小信號的線性度越好，保真度越好。線性功率放大器具

有較高的線性度，但是效率較低。非線性功率放大器具有很高的效率，便于集

成，但是其保真度一般不及傳統(tǒng)的線性功率放大器'⑶。功率放大器的效率定義

7

為:

A

n=Axioo%(2.i)

Pi為輸出到負(fù)載的平均功率，匕為電源消耗的平均偶功率，負(fù)載上的平均功率

可以表示為：

在輸入為正弦信號Vsin(wt)的情況下，

1,sin(w，)2,V2

^av-TJ)R-2R(2.3)

信號的THD是其保真度的度量，干擾信號越大，干擾頻率分量越多THD越大。

經(jīng)過功率放大后的信號不可避免的存在非線性失真。考慮一個輸入信號

%cos(wt+￡),輸出信號通過傅里葉分解而得到其各個w。倍頻的諧波分量。輸出

信號的干擾的d(t)可以表示為：

d(t)=V2cos(2w()t+02)+V3cos(3wot+03)+,,,+Vxcos(Nwot+餌)(2.4)

式中每一項為w。倍頻的諧波。這時輸出信號的THD可以表示為：

(2.5)

2.3傳統(tǒng)功率放大器

傳統(tǒng)功率放大器根據(jù)其工作方式和導(dǎo)通角的不同可以分為A類，B類，AB

類和C類。A類功率放大器在整個信號周期內(nèi)導(dǎo)通，導(dǎo)通角為360度。B類功率

放大器在半周期內(nèi)導(dǎo)通，即導(dǎo)通角問為180度。AB類功率放大器則介于兩者之

間，即其導(dǎo)通角在略大于180度而遠(yuǎn)小于360度的范圍內(nèi)。C類功率放大器的

導(dǎo)通角則小于180度1⑷。

2.3.1A類功率放大器

A類功率放大器具有最小的失真，但同時其效率也最低。A類功率放大器中的

晶體管始終偏置在開啟下，在整個信號周期內(nèi)導(dǎo)通，導(dǎo)通角為360度，靜態(tài)工作

點Q置于負(fù)載線的中心，具有最大的線性范圍。A類功率放大器最大的特點是信

號失真最小，具有最好的保真度，所以適合使用在高質(zhì)量的音響設(shè)備中。A類功

8

率放大器中輸出級的晶體管偏置電流大于輸入流，始終都有靜態(tài)電流和功耗。巨

大的功耗使得這類功率放大器需要較多的散熱設(shè)備，從而使其大而笨重，價格也

很昂貴。假設(shè)輸出信號為-sin(wt),輸出到負(fù)載上的平均功率可表示為

2加=%。4+誓sin(皿)力=VDD1Q=P,S(2.7)

由電源提供的平均功率為VDDIQ,其中IQ為Q點的偏置電流。

=PDD+Pss=2VDD1Q(2.8)

其中Pg和Pss分別為正負(fù)電源消耗的功率。可得A類功率放大器的效率為

n=-——xx100%(2.9)

4IQRIVCCJvcc)

當(dāng)VP=Vcc且％=1武時A類功率放大器具有最大的功率

(2.10)

十C

VC

4

圖2.1A類功率放大器

2.3.2B類功率放大器

B類功率放大器相對于A類功率放大器具有較高的效率，但其代價是有較大

的信號失真。B類功率放大器的輸出級功率晶體管的靜態(tài)偏置電流為零，僅在

信號周期內(nèi)導(dǎo)通，即導(dǎo)通角為180度。在正弦信號每半周期內(nèi)，上下兩個晶體

管只有一側(cè)導(dǎo)通，理論上沒有兩個晶體管同時導(dǎo)通的情況發(fā)生。B類功率放大

器正負(fù)電源提供的電流為半正弦波，在忽略交越失真的情況L輸出到負(fù)載的

9

平均功率可經(jīng)計算得:

(2.11)

則B累功率放大器的效率為:

XL

萬力

2RL

n=—(2.12)

2%

兀

當(dāng)V產(chǎn)V/時，B累功率放大器具有最大的效率

TT

M=7=78.5%

(2.13)

圖2.2B類功率放大器

當(dāng)輸入信號在零附近時，B類功率放大器兩側(cè)的晶體管會存在同時閉合的現(xiàn)象，

引起輸出信號的失真，這種現(xiàn)象稱為B類功率放大器的交越失真。交越失真相當(dāng)

于丟失了部分的輸入信號，嚴(yán)重干擾了輸出信號的性能所以B類功率放大器的

輸出信號的THD要大于A類功率放大器。B類功率放大器主要用于對功耗要求較

高而對保真度要求一般的場合1⑸。

10

2.3.3AB類功率放大器

AB類功率放大器則介于兩者之間，導(dǎo)通角在180度到360度之間，略大于

180度到360度之間，兼顧了兩者的效率和失真度。AB類功率放大器在一個信

號周期內(nèi)，大部分時間那只有一側(cè)的晶體管導(dǎo)通，但是在輸入信號接近零時，

兩側(cè)的晶體管會同時處于導(dǎo)通，這時有…部分偏置電流存在，多損耗了一小部

分功率，但是這樣的工作方式能夠大大降低零輸入附近的交越失真。AB類功率

放大器相對于A類的非線性失真，保證了較好的線性度。這樣的優(yōu)異能使得AB

類放大器成為絕大多數(shù)功率放大器設(shè)計中的選擇。

2.3.4C類功率放大器

C類功率放大器與AB類功率放大器工作情況相反，其導(dǎo)通角小于180度。

這使其具有比B類功率放大器更高的效率，一般可接近90%,適用于對功耗要

求極高的場合。但是較小的導(dǎo)通角給信號引入更大的失真。

2.4D類功率放大器概論

以上各類放大器介紹可知，影響放大器效率的基本因素是無信號時的工作電

流，所形成的直流功率損耗。無信號時電流愈大則直流損耗越大，效率越低。

11

為此，要提高效率則應(yīng)降低工作點，當(dāng)無信號輸入時，也沒有直流損耗。但是,

信號導(dǎo)通角逾小波形的失真則愈大，輸出信號中諧波成分增加，這兩個要求是

相互矛盾的。

如果輸入波形其他邊沿很陡峭，降低工作點后，對導(dǎo)通角影響很小，那么

失真劣化不大而效率又可以得到提高。波形陡峭的極端狀態(tài)時輸入信號為矩形

波，這種波形，無論偏置如何變化，由于前后邊沿是垂直升降的，導(dǎo)通狀態(tài)都

不會發(fā)生變化，這樣就誕生了工作于脈沖放大狀態(tài)的D類功率放大器。

D類放大器工作于開關(guān)狀態(tài)，無信號輸入時無電流，而導(dǎo)通時，沒有直流

損耗。事實上由于關(guān)斷時器件尚有微小漏電流，而導(dǎo)通時器件并沒有完全短路，

尚有一定的管壓降，故存在較少直流損耗，效率不能達(dá)到100%,實際效率在

80%?90%,是實用放大器中效率最高的。正是由于D類放大器的效率高，100

瓦輸出的設(shè)備，直流功耗就十幾瓦，故散熱器就幾個平方厘米，連電路板都可

以做的很小，大大減小了體積和重量。并且由于工作比音頻高10余倍的脈沖狀

態(tài)，電源整流紋波對電路工作影響會很?、?

D類功放放大的晶體管一經(jīng)開啟即直接將其負(fù)載與供電器連接，電流流

通但晶體管無電壓，因此無功率消耗。當(dāng)輸出晶體管關(guān)閉時，全部電源供應(yīng)電

壓即出現(xiàn)在晶體管上，但沒有電流，因此也不消耗功率，故理論上的效率為百

分之百。D類功放放大的優(yōu)點是效率最高，供電器可以縮小，幾乎不產(chǎn)生熱量，

因此無需大型散熱器，機(jī)身體積與重量顯著減少，理論上失真低、線性佳。但

這種功放工作復(fù)雜，增加的線路本身亦難免有偏差，所以真正成功的產(chǎn)品甚少,

售價也不便宜。有一些D類功放集成塊音色音質(zhì)很好，不過它們現(xiàn)在還只應(yīng)用

在汽車音響中，一些有興趣的DIY高手把它們改制到了家用音響中‘⑶。

一部功放從外表雖然不能斷定音質(zhì)，但如能觀察到供電變壓器和濾波電容

的大小，便已先對此機(jī)的性能或素質(zhì)略知一二。A類功固然需要巨大的供電器,

即使AB類機(jī)也是愈大愈好。今日許多優(yōu)質(zhì)功放都采用環(huán)形變壓器，取其效率較

方型變壓器高而漏磁少。濾波電容等于水塘，儲水量越多，供水量越足，功放

的供電充足穩(wěn)定，才能保證輸出晶體管輸出最大時仍有取之不盡的電能。許多

英國制造的合并式功放雖然功率并不太大，但卻有…個非常充沛的供電器，配

合簡單的訊號通道可以達(dá)成優(yōu)異的聲音。有些產(chǎn)品的面板上除了音量、平衡、

訊源選擇和電源掣外，其它的控制全部取消，令訊號通道盡量縮短。為追求聲

音純美，不惜犧牲控制功能。

當(dāng)前的電子器件傾向于便攜和小的尺寸，音頻功率放大器采用了D類技術(shù),

D類功率放大器由于它的高效率，理論上可以達(dá)到100%,而受到關(guān)注。D類放

大器的輸出級是CMOS的功率晶體管組成，提供揚聲器負(fù)載需要的大量的電流，

這些晶體管工作在或者是截止?fàn)顟B(tài)，或者是線形區(qū)，而不是飽和區(qū)，由于晶體

12

管只是工作在周期間的一小部分是激活的，減小了開關(guān)的導(dǎo)通損耗。高的效率

也因此成為可能，效率受D類輸出級的晶體管的導(dǎo)通電阻(Ron)影響［⑷。

圖2.3D類音頻功率放大器的結(jié)構(gòu)框圖

圖2.3是D類功率放大器的簡單框圖，D類音頻功率放大器在工作方式上與產(chǎn)

生控制PWM電壓信號的開關(guān)電源相似。圖2.4所示為一般的D類音頻功率放大

器的組成情況，它主要是由PWM波產(chǎn)生電路，功率放大電路，濾波電路和負(fù)反

饋電路四部分組成。

圖2.4一般D類功率放大器的總體結(jié)構(gòu)

D類音頻功率放大器根據(jù)開關(guān)放大器的工作方式不同，又分為兩種類型：

電壓開關(guān)型D類功率放大器：使放大器工作時，開關(guān)上的電壓波形為方波。電

流開關(guān)型D類功率放大器：使放大器工作時，開關(guān)上的電流波形為方波。

D類功率放大器在設(shè)計上必須要注意的包括過電流保護(hù)及過熱保護(hù)，此二

保護(hù)電路為功率IC或功率放大器所必備，否則將造成安全問題，甚至傷及其所

連接之電源器件或整個系統(tǒng)。過電流保護(hù)或短路保護(hù)的簡單測試方式乃將任一

輸出端與電源端(Vcc)或地端(Ground)短路，在此狀況下短路保護(hù)電路將被啟動

而將輸出晶體管關(guān)掉，此時將沒有訊號驅(qū)動喇叭而沒有聲音輸出。由于輸出短

路是屬于一種嚴(yán)重的異?，F(xiàn)象，在短路之后要回到正常的操作狀態(tài)必需重置

(Reset)放大器，有些IC則可在某一延遲(Delay)時間后自動恢復(fù)。詳閱各IC

的datasheet即可得知各家各產(chǎn)品不同的作法。至于過熱保護(hù)，其保護(hù)溫度通

常設(shè)定在150℃~160℃,過熱后IC自動關(guān)掉輸出晶體管而不再送出訊號，待溫

度下降20℃或30℃之后自動回復(fù)到正常操作狀態(tài)口2

另外D類功率放大器必須要解決AB類功率放大器所沒有的EMI電磁干擾，

13

電磁干擾是由于D類功率放大器之功率晶體管以開關(guān)方式操作，在高速開關(guān)及

大電流的狀況下所產(chǎn)生。在大多數(shù)的市場要求下此項EMI干擾必須通過FCC等

電磁干擾的規(guī)范，解決的方案是使用LC濾波器或磁珠(bead)濾波器以過濾其高

頻諧波。在此規(guī)范下EMI成為D類一個進(jìn)入門坎之一，中高功率的D類功率放

大器因為EMI太強(qiáng)目前采用LC濾波器來解決，小功率則用Bead處理即可，但

通常還要配合PCBlayout及零件的擺設(shè)位置1⑹。

比如，采用D類放大器后，D類放大器接揚聲器的線路不能太長，這會相

當(dāng)于外接了一個天線。一些公司的D類放大器僅可支持2cm,做得好的D類放

大器則可支持到10cm,比如TI的D類放大器。目前，市場上有些PDA和智能

手機(jī)的做法是采用兩個單聲道的D類，這樣設(shè)計更簡單一些，而采用立體聲D

類設(shè)計更因難，這也是后者為什么銷售狀況不是很好的主要原因。

D類功率放大器的高效率效應(yīng)除了節(jié)省電源件器的成本以外亦節(jié)省電源的

浪費或電池的消耗，優(yōu)化了整個材料系統(tǒng)及使用環(huán)境。尤其歐美國家特別重視

綠色環(huán)保，就如同高功因控制器(PFC)一樣，D類功率放大器有可能成為一種訴

求。雖然目前D類放器的價格比AB類要高出近50%多，但是，隨著D類產(chǎn)品的

上量，價格差別會逐漸消除。

14

3系統(tǒng)設(shè)計

3.1PAM8610芯片簡介

龍鼎微電子公司推出的PAM8610,它是一片10W(每聲道)，無輸出LC濾波器

并且?guī)в兄绷饕袅靠刂频腄類立體聲音頻放大器IC,PAM8610的新一代無濾波器

技術(shù)很好實現(xiàn)了低EMI,低失真以及在音頻范圍內(nèi)平直的頻率響應(yīng)，這種技術(shù)已

經(jīng)申請了美國專利，使用PAM8610的D類音頻放大系統(tǒng)不僅節(jié)省了輸出量的4個

電感和電容.節(jié)省了PCB面積,而且確保了量產(chǎn)時音質(zhì)的一致性和可靠性.目前，

PAM推出的從1W至25W功率等級的D類放大器IC.PAM8610支持全套查分輸入

和單端輸入.全查分輸入架構(gòu)大大提高了其共模抑制比(CMRR)和紋波抑制比音

量控制,PAM8610內(nèi)部有32級的數(shù)字音量電位器實現(xiàn)-40db至什36db的音量控制，

具體的音量大小由其Volume引腳的直流電壓決定，另外，可供客戶選擇的FADE

模式可以使開機(jī)音量淡入，PAM8610內(nèi)部有完善的短路保護(hù)和過熱關(guān)斷功能.為

40腳的QFN6*6封裝，在IC底部的導(dǎo)熱銅板可以使IC的熱量迅速傳到PCB銅

箔并散失到周圍環(huán)境中，如圖3.1所示為PAM8610芯片的結(jié)構(gòu)圖。

全新的電路結(jié)構(gòu)，PAM8610有著優(yōu)秀的主觀聽感，毫無生硬刺耳令人不快

的聲音。PAM8610在12V電源電壓，8Q負(fù)載、輸出功率5W的時候，對輸出波

形進(jìn)行快速傅里葉變換，可以看到二次諧波失真為一65dB,三次諧波失真一

80dB,失真頻譜主要是偶次諧波成分。PAM8610這種類似電子管放大器的音頻

特性，可以得到溫暖甜美的音色。同時它采用領(lǐng)先的無濾波調(diào)制技術(shù)，沒有死

區(qū)時間的約束，可以實現(xiàn)小信號的精確還原。輸出級開關(guān)動作的次數(shù)只有目前

流行的無濾波調(diào)制方式的一半，其EMI特性非常優(yōu)秀,⑷。

圖3.1PAM8610芯片引腳結(jié)構(gòu)圖

15

3.2PAM8610性能參數(shù)

1,2*10W的D類數(shù)字功放IC。電源13V時，在保證THD小于10%的情況下，

可向8Q負(fù)載提供10W的輸出功率

2,低噪聲：-90dB

3,超過90%的效率

4,32步進(jìn)直流音量控制有32分貝到-75分貝范圍，具有關(guān)機(jī)靜音及淡出功能

5,具有過流，過熱和短路保護(hù)

6,較低的THD+N設(shè)計

7,低靜態(tài)電流設(shè)計

8,雜音抑制功能

9,封裝：薄40引腳，QFN尺寸為6mm*6mm

10,無鉛環(huán)保。

3.3利用PAM8610芯片設(shè)計D類功率放大器

為了滿足器件的設(shè)計要求，應(yīng)該對外部器件進(jìn)行恰當(dāng)?shù)倪x擇。通常的設(shè)計

這里不做討論，只針對比較重要和特殊的部分做出解釋。

3.3.1系統(tǒng)參數(shù)

(1)電源退耦電容

D類放大器工作的時候，會以窄脈沖的形式向電源汲取電能。在評估板上，

一個大電容、低ESR的電解電容可以快速的補充能量以防止電源電壓瞬間跌落。

考慮到電解電容在高頻時電感效應(yīng)增加I,在IC電源引腳旁邊就進(jìn)放置小電容

MLCC電容(10uF和0.1UF并聯(lián)),以避免這些消極的影響”，

(2)BSN和BSP電容

PAM8610的輸出級的全H橋全部使用NMOS,必須使用BSN和BSP電容來保證

H橋完成開關(guān)動作。推薦使用至少220nF的電容和至少25V的耐壓。

(3)輸入電阻Ri和輸入電容C

輸入電阻同內(nèi)部數(shù)字電位器一起，共同決定閉環(huán)增益。關(guān)于輸入電阻的阻值,

在PAM8610的數(shù)據(jù)手冊上有詳細(xì)的說明。為了提高共模抑制比(CMRR)和電源

抑制比(PSRR),盡量確保差動輸入端的輸入電阻匹配(誤差不超過1%)。輸入

電容和輸入電阻串聯(lián)，組成了一個高通濾波器，低頻響應(yīng)就由這兩個元件決定，

16

-3dB轉(zhuǎn)折頻率可以由下式得到：

fi=1/(2n&Rj

為了降低失真，要求輸入電容有比較低的交流失真和比較低的損耗，并且保

證兩個差分輸入電容匹配i⑻。

(4)C。8c和

放大器的諧振頻率由C°sc和Rose的乘積共同決定；fose=6.6/(CoscXRosc)可以

在225kHz~275kHz之間選擇，如果取R.sc=120kQ和Cosc=220pF,則整個放大器開

關(guān)頻率約250kHz0

(5)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源退耦電容

PAM8610的內(nèi)部輸入放大器,DVC和0SC部分的電源由IC內(nèi)部集成的LD0(低

壓差穩(wěn)壓器)提供。這些LD0的引出腳上推薦使用1UF的退耦電容，并且盡量

靠近IC引腳。

(6)輸出鐵氧化磁珠

了限制EML需要在IC的輸出引腳上串接鐵氧化磁珠(FB)。這些磁珠需要

有足夠的低頻阻抗和盡量高的高頻阻抗，能夠承受的持續(xù)電流要大于4A。

3.3.2電源設(shè)計

在實驗室，評估板使用穩(wěn)壓電源供電。一般來說，D類放大器的電源抑制比

(PSRR)比傳統(tǒng)線性放大器低，應(yīng)該盡量保證電源有較小的紋波。由于PAM8610

有90%的高效率，電源儲備可以比線性放大器小得多，但是必須要求電源有高

速的響應(yīng)，在這里，高速低串聯(lián)等效電阻(ESR)的大電容儲能電容是必須的。

一個最為便宜簡單的直流穩(wěn)壓源是利用集成穩(wěn)壓芯片LM7805制作的，其電路圖

如圖3.2所示：

圖3.25V穩(wěn)壓電源原理圖

3.3.3EMI對策

雖然PAM8610有著優(yōu)異的EMI特性，但是在系統(tǒng)設(shè)計中必須考慮EMI對策。

17

輸出端在某些極端時刻，同揚聲器電磁電路可能形成尖鋒脈沖，這些尖峰脈沖

包含了大量高頻的能量。輸出引腳上串接鐵氧化磁珠（FB）,這些磁珠在頻率高

于1MHz的時候有很高的阻抗，可以避免高能量輻射到外部。同時，在鐵氧化磁

珠之后，輸出端和地之間跨接小電容（典型值200pF）可以進(jìn)一步吸取多余的

高頻能量。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，應(yīng)該盡量減短揚聲器到放大器輸出端的引線，也可

以在引線上加上磁環(huán)以取得更好的效果。在某些應(yīng)用中（例如收音機(jī)），可以將

PAM8610的放大器部分放在金屬屏蔽罩內(nèi)以獲得最佳的EMI特性:⑼。

3.3.4PAM8610測量

直接在PAM8610的輸出引腳上看不到真實的信號波形。在實驗室，必須使

用美國AudioPrecision公司的AUX0025濾波器濾除高頻調(diào)制信號，才可以用

音頻分析儀對放大器的性能進(jìn)行計量。AUX0025在20Hz—20kHz有平直的頻

響和相位曲線，在20kHz后頻響曲線急劇的下跌，以濾除高頻信號。

業(yè)余條件下，可以使用簡單的RC濾波器濾除高頻調(diào)制信號.RLOAD為負(fù)

載電阻（通常為8Q）,電阻R1和C1組成一個簡單的濾波器。使用數(shù)字存儲示

波器的兩個通道在TESTPOINTP和TESTPOINTN兩個測試點上分別可以看

到正、負(fù)半周的信號，利用MATH功能將兩個通道想減，就可以看到放大后的

信號波形。

使用簡單的RC濾波器濾除高頻調(diào)制信號.RLOAD為負(fù)載電阻（通常為8Q）,

電阻R1和C1組成一個簡單的濾波器。使用數(shù)字存儲示波器的兩個通道在TEST

POINTP和TESTPOINTN兩個測試點上分別可以看到正、負(fù)半周的信號，利用

MATH功能將兩個通道想減，就可以看到放大后的信號波形。如圖3.3所示：

TESTPOINTP

610OUTPT器k/

Cl,L

RLOADH-

C2.

ilOOUTNJ,01

JTESTPOINTN

圖3.3RC濾波器

當(dāng)然濾波器也可由兩個電感，電容和一個電阻組成。功率輸出器輸出的信號送

入該濾波器的左端的兩個輸入端，右端接揚聲器發(fā)聲。當(dāng)然對于高電感的揚聲

器可以省去該濾波電路，而直接接功率輸出電路的輸出端。如圖3.4所示